Износостойкое покрытие для рабочих поверхностей плунжерных пар топливных насосов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ(73) Патентообладатель Гомельское научнопроизводственное объединение Элорма(57) 1. Износостойкое покрытие для рабочих поверхностей плунжерных пар топливных насосов, содержащее последовательно размещенные титансодержащий слой, металлический слой и слой фторсодержащего полимера, отличающееся тем, что оно содержит в качестве титансодержащего слоя слой нитрида титана, в качестве металлического слоя слой меди или ее сплавов, а в качестве слоя фторсодержащего полимера слой полимеризованных продуктов электроннолучевого диспергирования политетрафторэтилена в вакууме толщиной 0,1-0,5 мкм. 2. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что слой полимеризованных продуктов электроннолучевого диспергирования политетрафторэтилена в вакууме содержит 0,2-10,0 мас.нанодисперсных частиц алмаза или оксида металла. Изобретение относится к конструкции (устройствам) покрытий прецизионных поверхностей узлов трения, в частности плунжерных пар топливных насосов, и позволяет повысить долговечность узла, снизить коэффициент трения. К рабочим поверхностям плунжерных пар топливных насосов предъявляется ряд специальных требований, основными из которых являются высокий предел контактной выносливости высокая износостойкость(допускается образование зазора между рабочими поверхностями порядка 0,2-5 мкм) низкий коэффициент трения обеспечение работоспособности в широком интервале температур 1, стр. 115. При этом основным конструкционным методом, позволяющим существенно повысить долговечность плунжерной пары, является формирование на их поверхности твердых слоев, покрытий. Так, снижение абразивного изнашивания пар может быть достигнуто путем диффузионного хромирования рабочих поверхностей 2, введением в поверхностный слой стали (ШХ 15) небольшого количества серы, вольфрама, молибдена, металлоорганических соединений 1, стр. 122. Наиболее высокий эффект повышения твердости и долговечности рабочих поверхностей достигнут путем осаждения на них покрытия из нитрида титана толщиной 3-4 мкм 3. Покрытия нитрида титана, нанесенные на поверхность трения, обладают достаточно низким коэффициентом трения, однако они вызывают достаточно высокий износ сопряженной, более мягкой поверхности. Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому техническому решению является патент 4 на процесс поверхностной обработки титансодержащих металлических материалов. В соответствии с которым покрытие изделий состоит из последовательно размещенных на рабочих поверхностях слоев первый - слой 3886 1 меди или никеля, толщиной от 0,1 до 5 мкм, второй - титансодержащий слой с никелем, никель-фосфорным сплавом, включающий керамические частицы толщиной от 5 мкм и более и третий - твердосмазочный слой из дисульфида молибдена, графита, нитрида бора и фторсодержащей полимерной смолы толщиной от 5 до 30 мкм. Данное покрытие наносится на титансодержащие сплавы, что существенно ограничивает сферу его применения. Плунжерные пары топливных насосов могут изготавливаться, в частности, из хромсодержащих сталей (ШХ-15, ХВГ). Кроме того, общая толщина многослойного покрытия, согласно данного патента, не менее 10 мкм, что не позволяет формировать его на прецизионных изделиях с допустимыми диаметральными зазорами меньше 10 мкм, к которым относятся плунжерные пары. Таким образом, анализ уровня известных технических решений показывает, что они не обеспечивают достаточно высокие антифрикционные характеристики плунжерных пар топливных насосов, не позволяют упрочнять прецизионные изделия, формировать многослойные износостойкие покрытия на изделиях из различных металлических сплавов. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что износостойкое покрытие для рабочих поверхностей плунжерных пар топливных насосов выполняют из последовательно размещенных слоев нитрида титана и твердосмазочного материала. Отличительным признаком является использование в качестве твердосмазочного материала меди и фторполимера (полимеризованных продуктов электронно-лучевого диспергирования политетрафторэтилена (ПТФЭ) в вакууме), фторполимер образует внешний слой толщиной 0,1-0,5 мкм. Предусматривается также введение в слой из полимеризованных продуктов разрушения ПТФЭ 0,2-10 масснанодисперсных частиц алмаза (размер 2-6 нм) или оксида металла (размер 5-30 нм). Предлагаемое многослойное износостойкое покрытие характеризуется более высоким уровнем служебных свойств снижается коэффициент трения и износ контртела, увеличивается долговечность и, как показали опытнопромышленные испытания, исключается выход из строя плунжерной пары по причине схватывания при низкой температуре. Это достигается в результате использования в качестве твердой смазки покрытий меди и фторполимера, полимеризуемого из продуктов разрушения ПТФЭ. Покрытие из такого фторполимера обладает, по сравнению с низкомолекулярными фторсодержащими смолами, лучшими механическими свойствами и адгезией, имеет очень низкую поверхностную энергию, и, как следствие этого, обладает высокой гидрофобностью и низким коэффициентом трения. При толщине покрытия фторполимера 0,1-0,5 мкм его износостойкость максимальна и при этом в процессе эксплуатации происходит его перераспределение в микрозазорах, перенос на контртело, что приводит к снижению локальных нагрузок в пятнах фактического касания контактирующих поверхностей. Исследования показали, что покрытия, формируемые из полимеризованных продуктов электронно-лучевого разрушения ПТФЭ, обладают высокой упорядоченностью в граничных слоях (0,10,5 мкм), и, как отмечалось, значительно более высокой адгезией, износостойкостью. При 0,1 мкм покрытие не является сплошным и содержит полярные группы типа -С 0, -ОН, появление которых объясняется особенностями технологии осаждения. Такие покрытия имеют высокий коэффициент трения и низкую износостойкость. При 0,5 мкм резко возникают внутренние напряжения (в слое проходят процессы объемного структурообразования) и, как следствие этого, при трении происходит его интенсивное разрушение. Введение в слой фторполимера наночастиц способствует повышению его износостойкости, особенно в случае абразивного изнашивания. Твердые наночастицы, равномерно распределенные в объеме полимерного слоя, дисперсно упрочняют его и, как показали приведенные исследования, вызывают снижение коэффициента трения. Концентрация твердых наночастиц 0,2-10 массовыхв слое фторполимера является оптимальной. При 0,2 свойства покрытия практически не изменяются. При 10 практически невозможно получить слой с равномерным распределением наночастиц образуются ассоциаты, состоящие из 100-1000 наночастиц, которые могут вызвать значительное снижение триботехнических параметров покрытия. Кроме этого при высокой степени наполнения увеличивается стоимость покрытия и снижается его прочность. Возможность формирования предлагаемого покрытия и его высокие свойства подтверждаются результатами испытания покрытия, состоящего из слоя нитрида титана, меди, фторполимера (гомогенного и наполненного наночастицами). Подложка-сталь ШХ 15. Слой нитрида титана толщиной 0,3-1,5 мкм наносили методом КИБ на установке УРМЗ.279.048, слой меди -электродуговым испарением на этой же установке. Покрытие из полимеризованных продуктов электроннолучевого диспергирования ПТФЭ формировали при следующих режимах энергия электронов - 1,5 КэВ, скорость нанесения 0,8 мкм/мин, температура поверхности - 300 К. Нанесение композиционного слоя, состоящего из фторполимера и наночастицы, производится за один технологический цикл методом зарядки наночастиц и их транспортировки с помощью внешнего электрического поля (см. Материалы заявки Способ нанесения композиционного полимерного покрытия). Оценивались триботехнические свойства покрытий по схеме плоскость-шарик и измерялись изменения гидравлической плотности плунжерных пар топливных насосов высокого давления дизелей магистральных тепловозов 2 ТЭ 10 У на стенде А 53 в процессе эксплуатации и дизеля ЧМЭЗ на специальном стенде, по которому судили об интенсивности изнашивания (при гидравлической плотности 1-2 с плунжерная пара считается непригодной в эксплуатации по причине износа). В период с 07.11.95 г. по 29.10.96 г. проводились 2 3886 1 опытно-промышленные испытания плунжерных пар с предлагаемым покрытием, установленным на дизелях локомотивов 2 ТЭ 10 У и ЧМЭЗ. В процессе испытаний визуально контролировали состояние пар и измеряли гидравлическую плотность. Результаты испытаний приведены в таблице 1. Таблица 1 Коэффициент трения после числа циклов 10 0,22 0,2 0,160,18 0,24 0,15 ПТФЭ Толщина ПТФЭ 0,05 мкм 0,17 0,24 0,150, мкм 0,17 0,20 0,140,3 мкм 0,17 0,19 0,130,5 мкм 0,17 0,19 0,130,7 мкм 0,18 0,20 0,15 ПТФЭ(НЧ)0,3 мкм концентрация наночастиц алмаза 0,1 мас.0,19 0,23 0,18 0,2 мас.0,15 0,17 0,11 5,0 мас.0,15 0,18 0,11 10 мас.0,16 0,19 0,12 12 мас.0,18 0,22 0,16 ПТФЭ 0,15 0,19 0,11 Как видно из представленных данных, трехслойное покрытие, в котором внешний слой состоит из фторполимера (гомогенного или наполненного), образованного из полимеризованных продуктов электроннолучевого диспергирования ПТФЭ в вакууме толщиной 0,1-0,5 мкм, характеризуется более высокими триботехническими свойствами имеет более низкий коэффициент трения и интенсивность изнашивания, что определяет более высокую долговечность плунжерной пары. Опытно-промышленные испытания плунжерных пар с разработанным трехслойным покрытием показали их высокую работоспособность. При этом исключается заклинивание плунжерных пар при попадании воды в топливо при эксплуатации в зимних условиях (см. Акт испытаний от 16.12.1996 г.). 3886 1 Источники информации 1. Дизельная топливная аппаратура оптимизация процесса впрыскивания, долговечность деталей и пар трения. - М. Из-во МГТУ им. Баумана, 1996. - С. 140. 2. Сергеев В.З., Фидман В.Б., Егоршина Т.В. Повышение износо- и коррозионной стойкости плунжерных пар топливных насосов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1988. -6. - С. 5-8. 3. Топливный насос высокого давления. Заявка ФРГ 3624134, 1988. 4.- -. ЕР 0441636 А 1, .25 15/02,07.02.1991. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.